专利名称：一种运用于恒温恒湿空调机的分阶段压缩机与膨胀阀同步控制方法
技术领域：
本发明属于空调控制技术领域，尤其是ー种运用于恒温恒湿空调机的分阶段压缩机一膨胀阀同步控制方法，能实现恒温恒湿空调机温湿度高精度控制。
背景技术：
现阶段，恒温恒湿空调机对于控制环境的精确控制主要通过两种方式实现ー是通过调节压缩机的出力精确控制所需求的制冷量(除湿量)，达到恒定温湿度高精度要求， 这往往需要变频或者数码涡旋等容量可调的压缩机；ニ是利用可控硅PID调节加热量和加湿量，从而精确地调节过制冷量和过除湿量，达到恒温恒湿的调节目的。在节能减排的大环境下，后者因可控硅价格昂贵以及无法解决冷热量抵消和能源浪费的弊端，因而不利于普遍推广；而前种方法能够有效缓解因温湿度控制的不同步性所导致的冷热量抵消，同时压缩机容量可调的特点可精确控制室内温湿度，这也是高精度恒温恒湿空调机节能技术的发展方向。在变频或数码涡旋恒温恒湿空调系统控制中，目前的控制方式往往是孤立地考虑电子膨胀阀和压缩机的控制，很容易产生滞后或超调现象，往往使压缩机和电子膨胀阀在短时间内不能达到匹配协同，虽然长时间系统会趋于稳定，但是空调环境往往是多变的、复杂的，一旦发生变化，又需较长时间才能使系统趋于稳定，这样势必难以保证整个制冷系统始终运行在最佳状态。
发明内容
本发明，g在缓解恒温恒湿空调机在进行温湿度控制运行时出现的延迟和超调现象，提高恒温恒湿空调机的控制精度、可靠性以及节能性，提出ー种能够适应于压缩机变容量(变频或数码涡旋)的恒温恒湿空调机的分阶段压缩机ー膨胀阀同步控制方式，并结合传统的自适应PID技木，实现恒温恒湿空调机温湿度高精度控制。本发明，所陈述的压缩机一膨胀阀的同步控制方案打破了常规变频空调机电子膨胀阀和压缩机独立控制的方式，将室内温湿度控制压缩机的频率与过热度控制电子膨胀阀的开度相对独立的控制，通过建立压缩机的运转频率和电子膨胀阀的开度的对应函数关系进行有机结合，实现压缩机和膨胀阀同步控制。
具体实施方式
是压缩机的频率和电子膨胀阀的开度都是由过热度和室内温、湿度作为控制目标来实现，与此同时，需要建立压缩机的运转频率和电子膨胀阀的开度的对应函数关系。具体来说，电子膨胀阀的开度不仅仅根据蒸发器的出ロ过热度，还需要回风温、湿度来控制。一方面，通过转换器把过热度及室内温、湿度转换成电子膨胀阀的开度信号；另一方面，把电子膨胀阀的开度信号转换成压缩机的频率信号，控制压缩机的转速，实现压缩机与电子膨胀阀的同步控制，减小因エ况的变化导致系统运行产生的振荡。本发明，所述恒温恒湿空调机包括变频压缩机、室外冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器、电加热器和电极加湿器，制冷剂经变频压缩机，由压缩机出来的高温高压的制冷剂进入冷凝器放热后，经过电子膨胀阀节流降压至蒸发器中，低温低压的制冷剂经蒸发器吸热后，再回到压缩机，进而实现制冷系统循环；被控环境高温高湿的回风经蒸发器降温除湿后，经过加热器和加湿器微调加热和加湿后，送入被控环境，以维持环境的温湿度要求，进而实现送风系统循环。本发明，所述控制方法是根据恒温恒湿空调机在启动和正常运行两种状态下，把系统控制分成粗调控制阶段和细调控制阶段，不同的控制阶段采用不同的控制方法，在粗调阶段，要解决的主要问题是尽快缩小室内温、湿度与设定目标之间的差值，在粗调阶段， 系统处于ー个不稳定的运行过程，精确控制过热度往往是比较困难的，在粗调阶段的控制方法采用预先给定的开环调节压缩机以3Hz/s的速度升高直至最高频率下运行，电子膨胀阀的开度设定为50%_70%;在细调阶段，室温湿度与设定目标差值较小，控制的主要目标是尽量維持制冷剂的过热度在较小范围内波动，且尽量接近设定目标值，以保持室内换热器始終保持最佳的供液量，提高系统的运行效率，此时，应该重点考虑加强对制冷剂的过热度的控制，兼顾室内温、湿度，以免偏离目标过大。在细调阶段采用压缩机ー膨胀阀同步的闭环调节根据输入室外温度/；、室外温度变化率/；'室内温度7；、室内温度变化率Tn，ヽ室内湿度、室内湿度变化率0ノ、过热度和过热度变化率パァノ，通过自适应PID调节，并输出压缩机的频率信号f，控制压缩机的转速；根据输入室内温度7；、室内温度变化率 Tn，ヽ室内湿度、室内湿度变化率0ノ、过热度パTsh和过热度变化率パTsh，，以及压缩机的频率信号f，通过自适应PID调节，并输出膨胀阀的开度信号h，控制膨胀阀开启的脉冲值；根据室外环境温度/;、温度变化率7；^以及压缩机的频率信号f，控制冷凝风机的转速； 根据室内温度7；、室内温度变化率7ノ、室内湿度和室内湿度变化率ホム以及压缩机的频率信号f，控制室内蒸发器送风风机的转速；电加热器由被控环境的温度Tn和温度的变化率Tn，控制投入的加热量；加湿器由被控环境的相対湿度d>n和相対湿度的变化率K， 控制投入的加湿量。本发明，具有如下特点
1、采用分阶段的控制方式，可大大缩短恒温恒湿空调机组在启动阶段或者受到外界干扰而导致被控环境温湿度波动的时间；
2、采用压缩机ー膨胀阀同步控制方案，缓解了由于压缩机和膨胀阀各自独立控制导致系统控制上的延迟和超调现象；
3、结合传统的自适应PID控制方法，形成分阶段压缩机ー膨胀阀同步自适应PID控制方式，可实现在环境温度为7°C 30°C，相対湿度40% 75%，温度控制精度可达到 ±0. 2°C，相対湿度控制精度可达到±3%RH。
图I为实施例的控制原理框图；图2压缩机频率和室内温度随运行时间的变化关系；图3压缩机频率和室内相对湿度随运行时间的变化关系；图4压缩机频率、膨胀阀的开度和过热度随运行时间的变化关系。图中，Tv、TムTn、Tn\ 4>n、cpn\』Tsh、』Tsh，ヽf軸分别表示的是室外温度、室外温度变化率、室内温度、室内温度变化率、室内相対湿度、室内相対湿度变化率、过热度、过热度变化率、压缩机的频率和膨胀阀的开度。
具体实施例方式參照图I，分阶段压缩机ー膨胀阀同步控制流程中，包括变频压缩机、室外冷凝器、 电子膨胀阀、蒸发器、电加热器和电极加湿器。制冷剂经变频压缩机，由压缩机出来的高温高压的制冷剂进入冷凝器放热后，经过电子膨胀阀节流降压至蒸发器中，低温低压的制冷剂经蒸发器吸热后，再回到压缩机，进而实现制冷系统循环；被控环境高温高湿的回风经蒸发器降温除湿后，经过加热器和加湿器微调加热和加湿后，送入被控环境，以维持环境的温湿度要求，进而实现送风系统循环。系统启动运行时，要解决的主要问题是尽快缩小室内温、湿度与设定目标之间的差值。此时，系统处于ー个不稳定的运行过程，精确控制过热度往往是比较困难的。因此， 对于变频压缩机的控制其输入參数不引入过热度，相对应于电子膨胀阀也不引入过热度， 调节规律预先给定。压缩机可以3Hz/s的速度升高直至最高频率下运行，电子膨胀阀的开度设定为50%-70%，这样既可保证系统迅速对被控环境降温除湿，也避免膨胀阀的开度过慢导致系统低压。与此同时，当被控环境温度与目标值相差2°C时，认为系统启动阶段结束。 室外环境温度7；和温度变化率控制冷凝风机的转速，加热器由被控环境的温度Tn和温度的变化率ァノ控制投入的加热量，加湿器由被控环境的相対湿度K和相対湿度的变化率 0ノ控制投入的加湿量。对于采样时间的确定，应当重点考虑室内温湿度的特性，同时需要兼顾制冷剂过热度的变化特性，采样周期可适当加长。系统正常运行过程中，室温湿度与设定目标差值较小，控制的主要目标是尽量维持制冷剂的过热度在较小范围内波动，且尽量接近设定目标值，以保持室内换热器始終保持最佳的供液量，提高系统的运行效率。此时，应该重点考虑加强对制冷剂的过热度的控制，兼顾室内温、湿度，以免偏离目标过大。当被控环境的温度与设定值之差在2°C之内吋， 系统进入细调阶段，根据输入室外温度/；、室外温度变化率/；'室内温度7；、室内温度变化率7；へ室内湿度、室内湿度变化率0ノ、过热度和过热度变化率パ7；ノ，通过自适应PID调节，并输出压缩机的频率信号f，控制压缩机的转速；根据输入室内温度7；、室内温度变化率7^、室内湿度、室内湿度变化率0ノ、过热度パ和过热度变化率j Tsh，,以及压缩机的频率信号f，通过自适应PID调节，并输出膨胀阀的开度信号h，控制膨胀阀开启的脉冲值；根据室外环境温度/；、温度变化率Tふ以及压缩机的频率信号f，控制冷凝风机的转速；根据室内温度7；、室内温度变化率Tn，、室内湿度 < 和室内湿度变化率ホム以及压缩机的频率信号f，控制室内蒸发器送风风机的转速；电加热器由被控环境的温度7；和温度的变化率Tn，控制投入的加热量；加湿器由被控环境的相対湿度和相対湿度的变化率多ノ控制投入的加湿量。对于采样时间的确定，应当重点加强对过热度的控制，同时需要兼顾室内温湿度的变化。由于过热度对エ况的变化比较敏感，故采样周期可取短一点。将分阶段压缩机一膨胀阀同步控制理念与传统的自适应PID控制理论相结合，构建成分阶段压缩机ー膨胀阀同步自适应PID控制方式，通过可编程控制软件平台，在高精度变频恒温恒湿空调机上实施，并进行温湿度精度控制实验测试。图2 4分别给出了室外环境温度控制在35 0C，室内环境温度控制在22 0C，相対湿度控制在55%，具有热湿负荷干扰下(图中，在10:20提供热湿负荷干扰)，室内温度、相对湿度、压缩机的运转频率、电子膨胀阀的开度以及过热度随运行时间的变化情況。实验结果显示，被控环境的温湿度、压缩机的运转频率、电子膨胀阀的开度在整个运行过程中基本保持着一致的步调，几乎不存在延迟现象。温度控制精度可达±0. 2°C，相対湿度控制精度可达到±3%RH，系统的过热度在整个实验过程中，波动较小。从而证明了本发明所设计的分阶段变频压缩机ー电子膨胀阀同步自适应PID控制方案，能够很好地解决系统控制的延迟现象。
权利要求
1.一种运用于恒温恒湿空调机的分阶段压缩机与膨胀阀同步控制方法，所述恒温恒湿空调机包括变频压缩机、室外冷凝器、电子膨胀阀、室内蒸发器、电加热器和电极加湿器，制冷剂经变频压缩机，由变频压缩机出来的高温高压的制冷剂进入室外冷凝器放热后，经过电子膨胀阀节流降压至室内蒸发器中，低温低压的制冷剂经室内蒸发器吸热后，再回到变频压缩机，进而实现制冷系统循环；被控环境高温高湿的回风经蒸发器降温除湿后，经过电加热器和电极加湿器微调加热和加湿后，送入被控环境，以维持环境的温湿度要求，进而实现送风系统循环，其特征在于所述控制方法是根据恒温恒湿空调机在启动和正常运行两种状态下，把系统控制分成粗调控制阶段和细调控制阶段，不同的控制阶段采用不同的控制方法，在粗调阶段采用预先给定的开环调节压缩机以3Hz/s的速度升高直至最高频率下运行，电子膨胀阀的开度设定为50%-70% ;在细调阶段采用压缩机一膨胀阀同步的闭环调节根据输入室外温度/；、室外温度变化率Γ/、室内温度7；、室内温度变化率Γ/、室内湿度、室内湿度变化率0/、过热度J/^和过热度变化率J7；/，通过自适应PID调节，并输出压缩机的频率信号f，控制压缩机的转速；根据输入室内温度7；、室内温度变化率Tn，、 室内湿度室内湿度变化率K，、过热度J Tsh和过热度变化率J Tsh，，以及压缩机的频率信号f，通过自适应PID调节，并输出膨胀阀的开度信号h，控制膨胀阀开启的脉冲值；根据室外环境温度/；、温度变化率T:，以及压缩机的频率信号f，控制冷凝风机的转速；根据室内温度7；、室内温度变化率Γ/、室内湿度和室内湿度变化率Φη，，以及压缩机的频率信号f，控制室内蒸发器送风风机的转速；电加热器由被控环境的温度7；和温度的变化率 r/控制投入的加热量；加湿器由被控环境的相对湿度和相对湿度的变化率0/控制投入的加湿量。
2.根据权利要求I所述的控制方法，其特征在于将压缩机的运转频率和制冷剂流量的比例关系，与制冷剂流量和电子膨胀阀的开度的近似线性关系相互结合，建立压缩机运行频率与电子膨胀阀的开度对应的近似线性关系，并通过此函数关系进行有机结合，实现压缩机和膨胀阀同步控制。
全文摘要
本发明涉及一种运用于恒温恒湿空调机的分阶段压缩机—膨胀阀同步控制方法。所述控制方法是根据空调机在启动和正常运行两种状态下，把系统控制分成粗调控制阶段和细调控制阶段，在粗调阶段采用预先给定的开环调节压缩机以3Hz/s的速度升高直至最高频率下运行，电子膨胀阀的开度设定为50%-70%；在细调阶段采用压缩机—膨胀阀同步的闭环调节根据输入室内外温湿度的变化及变化率、过热度和过热度变化率，通过自适应PID调节，并输出压缩机的频率信号和膨胀阀的开度信号，控制压缩机的转速和膨胀阀开启的脉冲值，实现同步控制。可大大缩短恒温恒湿空调机组在启动阶段或者受到外界干扰而导致被控环境温湿度波动的时间，缓解了由于压缩机和膨胀阀各自独立控制导致系统控制上的延迟和超调现象。
文档编号F24F11/00GK102589094SQ20121006622
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者徐俊新, 林小茁, 江辉民, 王娜娜, 胡文举, 陈政文, 陈镇凯 申请人:广东吉荣空调有限公司